CONTROLE DE PROCESSUS INDUSTRIELS SANS FIL EMBARQUES A ECONOMIE D'ENERGIE ET CONTRAINTES TEMPORELLES

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1 Jackson Francomme 1/6 CONTROLE DE PROCESSUS INDUSTRIELS SANS FIL EMBARQUES A ECONOMIE D'ENERGIE ET CONTRAINTES TEMPORELLES Gestion de l énergie avec le standard IEEE Jackson FRANCOMME 1 Directeur(s) de thèse: Pr Thierry VAL et Gilles MERCIER MCF-Hdr Laboratoire d'accueil: Laboratoire de Recherche ICARE - EA , Place Georges Brassens - BP Blagnac Cedex France Etablissement d'inscription: Université de Toulouse II - Le Mirail 5 allées Antonio Machado Toulouse Cedex 9 Résumé Les processus de contrôle industriel, les capteurs (capteurs, actionneurs), sont connectés à des périphériques qui communiquent généralement via des bus de terrains, les communications câblées garantissant les contraintes temps réel. Avec l évolution des réseaux sans fil apportant de la qualité de service dans les WPAN, les réseaux de terrain sans fil semblent pouvoir atteindre les contraintes recherchées. Cette thèse estime la capacité du standard IEEE à supporter les communications industrielles et proposera une validation des principes sur une architecture réelle. Nous présentons un aspect basé essentiellement sur la détermination et l optimisation de la consommation pour des communications utilisant ce standard puis des éléments de synchronisation dans un réseau avec une topologie en arbre de cellule. Une solution de routage d un réseau maillé sera également proposée. Mots clés Réseaux, Basse consommation, , MAC, Synchronisation, routage, Déterminisme, modélisation. 1 INTRODUCTION On constate aujourd hui dans le domaine des communications industrielles et grand-public un grand intérêt pour les réseaux dont les nœuds communiquent par liaison radio et s auto-organisent, chaque nœud pouvant servir de relais à ses voisins et donc relayer un message reçu qui ne lui est pas adressé ; c est le cas particulier des réseaux de capteurs. De nombreuses applications sont envisagées pour ces réseaux de capteurs, dans des domaines aussi variés que la défense, le contrôle de processus industriels, la surveillance environnementale et le télédiagnostic à distance, la santé, l habitat intelligent, la radiolocalisation d intérieur et diverses autres applications commerciales. Leur fonction est souvent de surveiller une zone géographique et de remonter par exemple une alarme ou d activer un actionneur. On désigne également ces dispositifs «d intelligence ambiante» dans la mesure où il s agit d enfouir les technologies de la société de l information (Pervasive technologies) dans le tissu même de la société. Les ordinateurs et les réseaux s intègrent dans l environnement quotidien (Ubiquitous technologies). On entre dans l aire du M2M (Machine to Machine) [6]. L objectif de cette thèse est dans un premier temps d explorer les aspects liés à l économie d énergie dans les systèmes embarqués communicants à travers une évaluation de la 1 francomme@iut-blagnac.fr

2 Jackson Francomme 2/6 consommation. Nous étudierons alors les stratégies de gestions appliquées essentiellement au niveau de la couche MAC du protocole IEEE , qui peuvent améliorer l utilisation globale de l énergie électrique et optimiser ainsi la durée de vie de l application embarquée sur un système autonome contraint énergétiquement. Dans un deuxième temps, nous explorerons l aspect déterminisme lié à la communication sans fil dans le contexte du contrôle de processus industriel, puis nous proposerons une contribution pour la couche MAC du standard IEEE afin de prendre en considération ces stratégies liées à l économie d énergie et au temps réel. Ces stratégies s appliqueront sur des réseaux de taille moyenne utilisant une topologie maillée (Mesh). Dans un troisième temps, l architecture du réseau PAN étant de type maillé, nous proposons une contribution pour la couche réseau de ZigBee permettant une synchronisation par balise (Beacon) ainsi qu une extension du procédé de routage AODV dans un réseau. 2 CONTEXTE DE LA THESE Nous nous plaçons dans un contexte de supervision et de contrôle de processus dans un environnement industriel, i.e. dans un domaine d applications où certaines classes de données nécessitent des échéances temporelles garanties pour la remise de messages. Le standard IEEE appelé par abus de langage ZigBee a été choisi car il permet une approche déterministe de la gestion de la bande passante par un mécanisme adapté de la sous-couche MAC. On dispose également d une meilleure qualité de liaison comparé aux systèmes similaires. Il a été conçu dans un esprit de préservation de l énergie, afin d accroître l autonomie du nœud capteur. Nous proposons un concept d implantation d une architecture sans fil centralisée de nœuds capteurs qui correspond à une organisation de réseau maillé de l alliance ZigBee, développée au niveau de la couche réseau. Les nœuds capteurs sont organisés en cellules et le recouvrement de leur zone de couverture permet une certaine mobilité ; chacune des cellules étant administrée par un coordinateur (Fig. 1-a). Dans la même application et sur le même réseau vont cohabiter plusieurs flux d informations, chacun ayant des contraintes temporelles plus ou moins fortes. Le coordinateur de réseau supportera une fonction de contrôle d admission et de routage des messages pour le transit par la : distribution de fenêtres temporelles garantissant l échéance de messages périodiques [2] le contrôle de la bande passante des messages à échéance non garantie l arbitrage de la durée d attente de ces derniers messages entre les nœuds membres de la cellule et les messages en transit. Nous développerons une méthode d optimisation inter-couches protocolaire adaptée au déterminisme et aux exigences de QdS (Qualité de Service) [5] telles que l absence de collision pour les messages à échéance garantie et la faible consommation énergétique, la mise au point de mécanismes d adaptation dynamique du réseau en fonction des contraintes du milieu, de faible débit et des applications. Cette méthode propose une extension de la couche MAC adaptée au LP- WPAN (Low Power-Wireless Personal Area Network) s appuyant sur le standard IEEE /ZigBee en faisant des hypothèses réalistes sur les réseaux de capteurs. Cette couche MAC offre les bases protocolaires à une couche supérieure «réseau» pouvant avantageusement en tirer partie, en particulier sur la qualité des liens, afin d assurer un routage adaptatif. On considèrera pour seules contraintes la connectivité, le déterminisme et l énergie : La connectivité offre l information sur le nombre de voisins d un nœud. Un nœud isolé perd sa connectivité au réseau en se déplaçant par exemple. Le déterminisme est la capacité à respecter des délais bornés pour la transmission de messages au sein du réseau. L énergie est une métrique permettant de classifier les nœuds selon leur degré d autonomie. Cette mesure offre l occasion de privilégier ou non des nœuds dans le routage. Estimer l énergie restante d un nœud est une tâche complexe et dépend très fortement des

3 Jackson Francomme 3/6 applications s exécutant sur ce nœud. Dans cette thèse nous proposons une modélisation de l énergie afin de pouvoir l utiliser dans l algorithme de routage. Ces trois paramètres permettront au coordinateur de cellule de connaître à priori le temps de transfert d un message en déterminant notamment le délai moyen d attente dans la cellule qu il contrôle et son coût énergétique. Il devra donc être en mesure de fournir les paramètres nécessaires au nœud coordinateur de PAN pour le choix du meilleur chemin de routage. Ces métriques dépendent fortement de la manière dont la sous-couche MAC gère l accès au médium. 3 CARACTERISTIQUES DU STANDARD IEEE IEEE [1] spécifie les protocoles de la couche physique et de la couche MAC pour les réseaux personnels sans fil bas débits (LR-WPAN - Low Rate-Wireless Personal Area network). Le standard propose trois couches physiques répartissant l ensemble des fréquences sur 27 canaux. Les canaux 11 à 26 (2.4 à MHz) supportent un débit de 250 Kbits/s. Le standard IEEE propose deux classes de périphériques : les périphériques à fonctionnalités complètes (FFD Full Function Devices) puis les périphériques à fonctionnalités réduites (RFD Reduced Function Devices). IEEE supporte le fonctionnement en topologie étoile (star) et point-àpoint (peer-to-peer). Dans chaque PAN (Personal Area Network), un nœud est dédié à la supervision du réseau et porte le nom de coordinateur de réseau. Supertrame Supertrame Supertrame Sommeil Sommeil Sommeil Cellule1 a) Balise CAP GTS 2 CFP GTS 1 Période d inactivité Balise Période Active (SD) abasesuperframeduration x 2 SO symboles Intervalle Inter-balise (BI) abasesuperframeduration x 2 BO symboles Cellule2 FFD coordinateur de réseaux PAN FFD Tête de cellule RFD Flux de communication entre FFD Flux de communication Etoile b) Fig.1. (a) Topologies réseau (b) architecture de la supertrame ZigBee [4] définit les protocoles de communication au dessus du standard IEEE Il supporte les topologies en étoile, en arbre de cellules (Cluster-Tree) et maillée. Dans un réseau étoile, les nœuds doivent s associer directement au coordinateur. Pour les topologies en arbre de cellules et maillées, les nœuds communiquent les uns avec les autres par la méthode des sauts (Multihops). La dorsale du réseau est constituée du coordinateur et de routeurs ZigBee qui sont tous des FFD (Fig 1-a). Dans une topologie en arbre de cellules, le coordinateur ainsi que les divers routeurs peuvent générer des trames balises (Beacon) pour la gestion de leur propre cellule. Dans un réseau maillé, la spécification ZigBee indique que le mode balisé n est pas prévu. Les balises sont un mécanisme essentiel de la norme ZigBee/ qui permet de gérer l énergie dissipée par l ensemble des nœuds du réseau. Le coordinateur ZigBee définit les paramètres de la supertrame qui régit le fonctionnement du réseau (Figure 1-b). La section active est divisée en 16 slots de longueur identique qui peuvent être contenus soit dans une section avec contention (CAP Contention Access Period) soit dans une section sans contention (CFP Contention Free Period). L algorithme CSMA/CA est utilisé pour l accès au médium dans la CAP. Les nœuds nécessitant une réservation de bande passante peuvent utiliser les slots de temps garantis (GTS Guaranteed Time Slots) gérés par le coordinateur de réseau ou de cellule. A la suite de la section active, les nœuds peuvent se mettre dans un mode de fonctionnement basse consommation jusqu'à la prochaine balise. Nous renvoyons le lecteur à la norme [1] pour une description complète.

4 Jackson Francomme 4/6 4 LA SYNCHRONISATION DANS LES RESEAUX IEEE Ce travail est motivé par le fait que le standard ne définit pas clairement la façon d allouer les slots aux routeurs concurrents afin d éviter les problèmes de collisions. Dans notre travail nous considérons deux types d interférences entre routeurs : les collisions directes lorsque l ensemble des routeurs entendent les balises de tous les voisins puis les collisions indirectes lorsque deux routeurs ont au moins un voisin commun. Dans le mode balisé, les routeurs ne doivent pas superposer leur section active afin de ne pas risquer des collisions. Une fois le rapport cyclique 2 ( SO BO) fixé par le coordinateur de réseau, chaque routeur devra choisir l un des 16 slots pour envoyer sa balise et démarrer sa section active. Cette méthode ne permet pas de répondre à notre cahier des charges dans la mesure où les nœuds routeurs devant participer au routage d un message le long du réseau ne peuvent pas être actifs en même temps. On préférera donc la méthode de la section exclusive de balises (Beacon-Only Period) proposée par le groupe de travail TG4b (Task Group 4b) mais pour laquelle aucune description n a été proposée. Cet aspect est développé dans l état de l art de la thèse qui est presque achevé. Une proposition d implémentation est en cours, pour une plateforme matérielle et logicielle Freescale (68HCS08+MC13192+Pile protocolaire IEEE ). 5 CONTRIBUTION A LA REDUCTION DE LA CONSOMMATION 5.1. Evaluation de la surcharge amenée par le protocole Une première étude a permis d avancer que les aspects consommation et déterminisme étaient contradictoires et qu un compromis était nécessaire. Cette étude considère uniquement les mécanismes de transfert de données avec et sans acquittement, avec requête de transfert pour les sections CAP et CFP. Cette étude encore théorique est basée sur l efficacité du standard à transmettre des données n avec une faible surcharge k définit par γ = n /( n + k). La figure 2-a indique que l efficacité du protocole IEEE est la plus importante pour des payloads de grande taille, ce qui ne surprend pas étant donné que la surcharge est constante. La figure 2-b indique pour un payload fixe de 102 octets, que le facteur de mérite est le plus petit pour les grandes valeurs M /T BI i.e. la durée séparant deux trames de messages est grande devant la période inter-balises ; M /T BI =30 semble un bon compromis. Il serait toutefois plus intéressant d avoir un facteur de mérite le plus grand possible, ce qui imposerait alors une durée d inter-arrivée des messages de l ordre de la supertrame. Bien que les contraintes soient dépendantes de l application, on peut toutefois envisager d adapter le rapport M /T BI au trafic DETERMINATION DE LA CONSOMMATION ENERGETIQUE L analyse de la consommation en énergie est basée sur les paramètres de la couche physique décrit dans la spécification du standard ainsi que dans les spécifications des composants matériels utilisés. On considère que la consommation de l émetteur/récepteur est prépondérante sur l architecture d un nœud réseau. Les paramètres de calcul sont : un exposant de Backoff de 2 (BE), une période T BI =8s et un rapport M /T BI =1. La figure 3-a nous permet de vérifier que la transmission de données en CAP sans acquittement est plus économique en énergie. Cette économie reste toutefois minime. On remarque également que la consommation est plus importante pour une transmission en CFP. On remarque sur la figure 3-b que la puissance consommée moyenne tend vers la puissance nécessaire pour le suivi de balise lorsque le rapport M /T BI augmente. C est une observation intéressante d autant plus que nous avions déjà entrevu lors de l analyse sur la surcharge que l efficacité du protocole était inversement proportionnelle au rapport M /T BI. La figure 3-b confirme bien que la limite basse en puissance est fixée par la période interbalise. Nous en déduisons que la valeur de la période T BI est un paramètre essentiel pour l optimisation de la consommation énergétique moyenne pour un nœud capteur.

5 Jackson Francomme 5/6 Fig.2. a. b. Facteur de mérite (a) en fonction du nombre d'octets du payload, (b) en fonction du rapport T BI /M Fig.3. a. b. Consommation énergétique en fonction (a) du nombre d octets du payload (b) du rapport M /T BI 5.3. DETERMINATION DU DELAI DE TRANSMISSION Les cas de la transmission et de la réception sont séparés pour cette analyse. On admet que les données reçues par le coordinateur et indiquées «pendantes» par le coordinateur seront transmises au nœud lors de la supertrame suivante. Pour la transmission, nous considérons que le nœud devant transmettre un paquet de données ne peut le faire que lors de la supertrame suivante car étant en sommeil lors de la disponibilité des données. La date d arrivée d un paquet de données ne pouvant être connues, nous considérons la valeur moyenne (T BI /2). On remarque sur la figure 4-a que les délais de transmission sont quasiment identiques pour la CAP ; les délais de transmission en CFP sont plus importants qu en CAP et dépendent fortement du nombre de slots du GTS. Il est évident que les délais de transmission sont plus importants pour les GTS qui sont alloués vers la fin de la supertrame (paramètre k Fig. 4-a). Nous en concluons que les délais de transmission ne dépendent pas de la couche physique mais essentiellement des mécanismes des couches supérieures EVALUATION CONJOINTE DE LA CONSOMMATION ET DU DELAI La caractéristique délai-consommation de la figure 4-b indique que la durée inter-trame peut être utilisée pour fixer le compromis entre le délai de transmission et la consommation. On remarque toujours une nette différence entre les délais et consommations en CAP et CFP au désavantage de la CFP. Ceci est essentiellement dû au fait que le standard indique qu un nœud doit rester actif durant toute la durée du GTS, ce qui implique une consommation moyenne plus importante, puis que la transmission avec GTS amène une latence plus importante étant donné qu elle utilise exclusivement les slots placés en fin de section active de la supertrame suivant la requête. L élément n est toutefois pas un réel handicap si la réactivité de l application ne nécessite

6 Jackson Francomme 6/6 pas une transmission instantanée du message suite à la demande. On peut indiquer que le standard IEEE x propose un mécanisme d allocation d une zone sans contention en début de supertrame, ce qui semble être plus judicieux [3]. Fig.4. a. b. (a) Délai de transmission en fonction de la durée inter-balises (b) Délai-transmission 6 CONCLUSION ET PERSPECTIVES Cette étude sur la consommation et les délais inhérents au standard IEEE montre qu une meilleure performance est obtenue pour des communications se faisant en CAP ; celles-ci pouvant être servies plus rapidement, et les nœuds pouvant se mettre dans un mode de très faible consommation dès la fin de leur transaction. Notre problématique globale étant de proposer une méthode de routage intégrant des paramètres liés à l urgence des messages et à la consommation pour les communications inter-cellules, le mode CAP semble être la meilleure façon de répondre aux contraintes de routage. Il est toutefois nécessaire que le trafic interne aux cellules ne soit pas trop important pour permettre de respecter les hypothèses de cette évaluation. La fin de cette thèse concernera la suite de la programmation d un logiciel de routage sous Matlab et la validation d une version évoluée de la méthode de routage AODV proposant une recherche de routes prenant en considération des contraintes de temps et de consommation. Références [1] IEEE Standard «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)». [2] J. Francomme, G. Mercier and T. Val, «A simple method for guaranteed deadline of periodic messages in cluster cells for automation control applications». ETFA'06 (11th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation), Prague. [3] Q. Ni, and T. Turletti. «QoS Support for IEEE WLAN», Nova Science Publishers, New York, USA, [4] ZigBee Alliance, «ZigBee Specification». ZigBee Standards Organization, Available from [5] G. Juanole et T. Val, «Qualité de service dans les réseaux sans fil», Ecole d été Temps Réel ETR 2005, ISBN : X, Septembre 2005, Nancy FRANCE. [6] FING and Syntec Informatique and Orange, «Machine To Machine (M2M) : enjeux et perspectives - Livre blanc», 2006.